（计算机应用技术专业论文）基于impostor技术的云绘制.pdf

中国民航大学硕士学位论文 摘要 随着虚拟现实技术的发展，面对越来越复杂的场景模型和有限的图形绘制处理能 力，为了提高实时绘制速度，满足交互式应用需求，研究人员探究出一些在图像真实度 和帧速率之间折衷的方法，形成了三维图形绘制的加速技术。i m p o s t o r 绘制加速算法是 其中一种较为重要的加速技术，它的核心思想是基于三维场景观察帧和帧之间的相关 性：当观察者在场景中移动时，距离观察点远的物体的运动相对于距离观察者近的物体 的运动较为微弱。距离观察者远的物体在比较短的一段时间内趋于静止，给我们在多帧 中复用i m p o s t o r 图像提供了条件。 为了实现利用i m p o s t o r 技术对云加速绘制，本文的工作包括：( 1 ) 设计实现粒子云几 何模型及相关飞行模拟场景图；对粒子云进行的散射光照计算，在此基础上结合了 i m p o s t o r 技术对粒子云的绘制实现加速：( 2 ) 研究了i m p o s t o r 技术中的i m p o s t o r 纹理生成、 绘制、误差控制、开销平衡等相关问题；( 3 ) 提出了i m p o s t o r 云纹理与粒子云的融合绘制， 保证了云绘制的真实感并提高了绘制帧速率。 在实验中，本文对纯粒子云绘制、结合粒子云的i m p o s t o r 加速技术的绘制结果，从 绘制速度、可视范围内的粒子数量等方面进行了实验结果对比，并分析得到的数据给出 了相关结论与可进一步研究的方向。 关键词：i m p o s t o r ，纹理，粒子系统，散射光照，融合绘制 中国民航大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t hd e v e l o p m e n to f v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , f a c i n gm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d s e c l l i cm o d e la n dl i m i t e dg r a p h i cr e n d e r i n gp r o c e s s i n gc a p a c i t y , i no r d e rt oh e i g h t e nr e a l - t i m e r e n d e r i n gs p e e da n dm e e ti n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，r e s e a r c hp e r s o n n e lh a v e r e s e a r c h e di n t os o m ee c l e c t i cm e t h o d sb e t w e e ni m a g er e a l i t yd e g r e ea n df r d n l er a t e ，f o r m i n g a c c e l e r a t i n gt e c h n o l o g yf o rt h r e e - d i m e n s i o n a lg r a p h i c sr e n d e r i n g ，i nw h i c hi m p o s t o r r e n d e r i n ga c c e l e r a t i n ga l g o r i t h mi sa m o r ei m p o r t a n ta c c e l e r a t i n gt e c h n o l o g y i t sc o l ec o n c e p t i sb a s e do nc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h r e e - d i m e n s i o n a ls c e n eo b s e r v a t i o nf l a m ea n df l a m e w h e n o b s e r v e rm o v e si ns c e n e ，t h em o t i o no f o b j e c tn e a r e rf r o mo b s e r v e ri sw e a k e rt h a nt h em o t i o n o f o b j e c tf a r t h e rf r o mo b s e r v a t i o np o i n t o b j e c tf a r t h e rf r o mo b s e r v a t i o np o i n tt e n d sb es t i l li n as h o r t e rp e r i o do f t i m e ，s u p p l y i n gc o n d i t i o nf o ru st ou s er e p e a t e d l yi m p o s t o ri m a g ei nm a n y f l a m e s i no r d e rt or e a l i z eu t i l i z a t i o no f i m p o s t o rt e c h n o l o g yt oa c c e l e r a t er e n d e r i n gf o rc l o u d r e n d e r i n g ，w o r ko f t h i st o p i ci n c l u d e s ：( 1 ) d e s i g nt or e a l i z ep a r t i c l ec l o u dg e o m e t r i cm o d e la n d r e l e v a n tf l y i n gs i m u l a t i o ns c e n i cg r a p h ；( 2 ) c a l 叫a l cs c a t t e r i n gi l l m n i n a t i o nf o rp a r t i c l ec l o u d ， o ni t sb a s i si n t e g r a t i n gi m p o s t o rt e c h n o l o g yr e n d e r i n gw i t hp a r t i c l ec l o u dt or e a l i z e a c c e l e r a t i o n ；( 3 ) h a v i n gr e s e a r c h e di n t or e l e v a n tp r o b l e m ss u c ha si m p o s t o rt e x t u r ef o r m a t i o n , r e n d e r i n g ，e r r o rc o n n o la n dc o s tb e n e f i t i n g ，e t c i ni m p o s t o rt e c h n o l o g y ；h a v i n gp u tf o r w a r d i n t e g r a t e dr e n d e r i n go f i m p o s t o rc l o u dt e x t u r ea n dp a r t i c l ec l o u d ，h a v m gg u a r a n t e e dr e a l i t yo f c l o u dr e n d e r i n ga n d r e n d e r i n gf r a m em t e a sv e r i f i c a t i o no f t h ep r o j e c t , t h i sd i s s e r t a t i o nm a d ee x p e r i m e n t so ns c a l eo f 畔p a r t i c l e c l o u da n dp a r t i c l ec l o u di n t e g r a t e di m p o s t o r a c c e l e r a t i n gt e c h n o l o g y i th a sg i v e na c c e l e r a t e d e f f e c tc o m p a r i s o n ，a n da n a l y z e dd a t ao b t a i n e d , r e a c h e dr e l e v a n tc o n c l u s i o na n dg i v e n o r i e n t a t i o nb e i n ga b l et oc o n d u c tr e s e a r c hf l l r t h e r k e y w o r d s ：i m p o s t o r , t e x t u r e ，p a r t i c l es y s t e m ，s c a t t e r i n gi l l u m i n a t i o n , b l e n d i n gr e n d e r i n g 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期： 过玉 6 。 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权中国民航大学研究生部办理 躲洱一名幽日 期： 中国民航大学硬士学位论文 1 1 课题研究目的及意义 第一章绪论 三维图形绘制技术，是计算机图形学的一个重要的研究领域，它旨在根据给定的视 点和视线方向，快速和逼真地生成三维场景的二维图像。长期以来，对绘制技术的研究 一直围绕着绘制速度和真实感这两个方面展开。绘制图像的真实感决定于场景模型的真 实性和绘制算法的保真性。前者指的是场景中模型的几何形状描述、表面材质设置、场 景中光源分布的合理性；后者指的是如何按照人类视觉感知规律和物理规律，对模型进 行光影渲染，达到如同照片一般的真实感。总的来说，图像的真实感愈高，需要的计算 量和计算时间就愈多，其绘制的速度也将降低。相反，如果减少绘制时间，则绘制结果 的真实感亦将相应地降低。 在实际应用中，通常将绘制技术分成实时绘制技术和离线绘制技术两类。前者侧重 于绘制的速度，即在尽可能保证绘制速度的前提下来完成绘制任务，其中画面质量允许 降低；后者则研究如何尽可能地保证绘制结果的高度真实感，对于绘制时间一般没有特 别的要求l l j 。从应用背景的角度来看，前者主要应用于各种需要用户交互的场合，如交 互式的c a d 建模软件、互动娱乐、飞行视景仿真器、三维地理信息系统等。后者主要 用于生成高品质的影视作品，如影视数字特技合成、动画制作等等。近年来随着“虚拟 现实”技术的广泛应用，面向用户交互的三维图形快速绘制技术受到了更多的关注。本 文主要考虑大规模云场景的快速绘制技术。 一般说来，场景是由一系列具有不同材质的造型元素( 通常是多边形) 和不同形式 的光源组成。目前主流的快速绘制算法的速度均与景物空间复杂度相关，即生成一幅场 景画面，需要遍历并处理场景中的每一个多边形，至少具有o ( n ) 的计算复杂度f l , 2 1 ，( n 为场景中多边形的个数) 。由于这类算法易于硬件实现和软件封装，现已广泛地为各种 图形绘制硬件和三维图形软件包( 如o p c n g l ，d i r e c t 3 d ) 所采用。随着计算机硬件技 术的长足进步，目前主流图形硬件的多边形处理能力已经达到每秒钟百万量级甚至千万 量级。然而，随着计算机图形技术的实用化，需要构造更逼真、更精细的场景，使得场 景规模不断扩大，单纯依赖于硬件加速的快速绘制技术，并不能满足实际应用对绘制速 度的要求。理论上说，场景的复杂性是无限的，而任何硬件的单位时间内的处理能力总 是有限的。所以，通过研究场景复杂性和人类视觉感知规律等相关因素的内部联系，设 计出与场景规模基本不相关或弱相关的快速绘制算法是必要的，也是必然的趋势。 中田民航大学硕士学位论文 1 2 关于绘制加速技术的国内外研究现状及分析 尽管图形软、硬件在最近十年得到了极大的发展，但真实感图形的绘制速度仍远远 不能满足动态仿真、实时交互、科学可视化对图形实时绘制所提出的要求。特别是虚拟 现实技术的出现，使真实感图形的实时绘制问题变得尤为突出。 要使用户对虚拟环境产生“沉浸”感，首先，用户所看到的场景还必须是三维的、 立体的。其次，场景画面必须随着用户视点和视线方向的变化或场景中景物的运动而实 时改变。注意到当前虚拟环境中所涉及的场景常包含数十万甚至上百万个多边形，其场 景模型还有越来越复杂的趋势，显然，在现有的硬件条件下，基于传统图形绘制技术来 实现可以满足交互式需要的绘制速度是十分困难的。为此，人们从不同的角度提出了各 种各样的实时图形绘制算法。 不难发现，传统真实感图形绘制算法追求的是所生成图形的真实感，因而对每帧图 形的绘制时间并没有严格的限制。而实时图形绘制技术本质上是一种限时计算技术，即 要求算法在一定的时间内，完成对场景的绘制。由于目前图形软、硬件条件的限制，实 时图形绘制算法往往通过损失图形质量来快速绘制画面，这里图形质量的损失主要指图 形真实感的降低和走样程度的增加。实际上，现有大多数实时图形绘制算法均采用简单 的光照明模型和层次细节简化技术来达到快速绘制的目的 2 1 。就研究内容来看，目前的 实时绘制算法主要围绕着以下三个方面展开： ( 1 ) 实时消隐技术； ( 2 ) 层次细节简化技术； ( 3 ) 基于图像的图形绘制技术。 1 2 1 实时消隐技术 消隐是真实感图形绘制的一个重要缓解。由于消隐过程涉及对场景中景物的排序， 因而它是真实感图形绘制过程中最为耗时的部分。早在7 0 年代，就有许多图形工作者 对图形消隐技术进行了卓有成效的研究，提出了一大批使用的消隐算法，其代表算法是 景物空间的w e i l e r - a t h e r t o n 消隐算法和图像空间的扫描算法、z 缓冲器【3 1 。值得指出的 是z 缓冲器算法是其中唯一具有线性计算复杂度的消隐算法。随着计算机图形硬件技术 的发展，z 缓冲器算法已可以通过图形硬件实现，成为目前应用最广泛的图形消隐方式。 但由于硬件z 缓冲器算法需逐个面片地进行扫描转换和逐个像素地进行深度比较，因为 对于高度复杂的场景，该算法仍难以满足实时绘制的要求。 这类算法也可以叫做可见性裁减，它并不简化场景几何，而是充分利用景物空间、 图像空间和时间域上的可见性和不可见性连贯性来快速剔除被遮挡( 不可见) 的景物面 片。层次z - b u f f e r 算法和层次遮挡图算法【4 】是这类算法的典型代表。这两个算法均将景 2 中国民航大学硕士学位论文 物空间组织成层次结构，并把面片的可见性计算分解为深度排序和在屏幕上的重叠测试 两个过程。其主要改进方法有：层次z - b u f f e r 算法 5 1 和层次遮挡图算法。由于着眼于开 发不可见景物的空间连贯性，这类算法对高遮挡率的场景非常有效，但对遮挡复杂性不 高的复杂场景却毫无优势，仍无法达到实时。 1 2 2 层次细节简化技术 实时消隐技术极大地提高了复杂场景的画面绘制速度，但当画面中含有大量的可见 面时，该技术的效率就会大大降低，其主要原因是实时消隐算法的立足点是快速拒绝那 些不可见的景物面片，而没有考虑对场景的简化。例如若许多可见面在屏幕上的投影小 于一个像素，我们完全可以合并这些可见面而不损失画面的视觉效果。层次细节简化【6 】 ( l e v e lo f d e t a i l s ，简称l o d ) 技术就是顺应这一要求而发展起来的一种快速绘制技术。 层次细节简化技术经常使用在大规模虚拟场景中 t j l 。在大规模场景中，经常会出现许 多模型距离观察点非常远而非常小的情况( 有的甚至小到难以被观察到或比屏幕上的一 个像素更小的程度) 。在这种情况下，如果再用高精度的模型来表示此类物体除了增加 图形系统的计算量以外并不能真正的增加场景中的细节。此时可以用相对简单的模型来 替代原来的复杂模型，这样既不会影响场景中的细节也可以大大降低场景的复杂度，提 高帧率，这就是多级层次细节技术【9 1 0 l 。 层次细节技术最初是为了简化采样密集的多面体网格物体的数据结构而设计的一 种算法。这些复杂的多面体网格往往通过激光扫描测距系统i l l 】( r a n g es c a n n i n gs y s t e m ) 扫描真实三维物体而得到。为真实反应原物体的表面变化，扫描过程中所取的采样点非 常稠密，这为三维景物数据的存贮、传输及绘制带来了极大的困难。为此，许多学者试 图通过顶点合并方法将这种复杂多面体网格进行简化。这就是层次细节技术的雏形。 层次细节简化技术在不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节 来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。该技术通常对每一原始多面体模 型建立几个不同逼近经度的几何模型【1 0 1 。与原模型相比，每个模型均保留了一定层次的 细节。当从近处观察物体时，我们采用精细模型，而当从远处观察物体时，则采用较为 粗糙的模型。这样，当视点连续地变化时，在两个不同层次的模型间就存在一个明显的 跳跃，因而有必要在两个相邻层次的模型间形成光滑的视觉过渡，即几何形状过渡【2 1 1 】 ( g e o m o r p h s ) 。 。 在场景中如何根据情况来选取合适的l o d 模型呢? 一般采用启发式【吲的方法，主 要有三种：距离、尺寸法；反馈法；预测法。 1 2 3 基于图像的图形绘制技术 传统图形绘制技术均是面向景物几何模型的，因而绘制过程涉及到复杂的消隐和光 3 中国民航大学硕士学位论文 亮度计算过程。实时消隐技术和层次细节简化技术等可见性计算技术及场景几何简化技 术由于减少了需处理的景物面片数日，因而极大地提高了图形绘制的效率。但对高度复 杂的场景，现有的计算机硬件可能仍无法实时绘制简化后的场景几何，因而我们面临的 一个重要问题是如何在具有普通计算能力的计算机上实现真实感图形的实时绘制。最近 几年，出现了一种全新的图形绘制技术基于图像的图形绘制技术( i b i m a g e b a s e d r e n d e r i n g t e c h n i q u e ) 1 3 1 6 e 该技术与传统绘制技术相比，有着明显的优点： ( 1 ) 该绘制技术对计算资源的要求不高，因而可以在普通工作站和个人计算机上实 现复杂场景的实时绘制。 ( 2 ) 图形绘制独立于场景复杂性，仅与目标图像的大小和分辨率有关。 ( 3 ) 绘制时不需要构造场景的三维几何模型，成像只是从已知的参考图像到目标图 像。 基于图像的绘制技术 1 3 , 1 7 】技术是计算机图形学和计算机视觉相结合的产物：使用计 算机图形学的思想构造虚拟场景；使用计算机视觉技术从已知的图像中生成新的图像。 其典型代表是i m p o s t o r i s - 2 2 1 技术，该算法结合了层次细节简化技术和基于图像的绘 制技术的优点。i m p o s t o r 绘制加速技术使用3 d 几何模型的部分投影到屏幕的图像代替 几何绘制，从而达到提高整个3 d 几何模型绘制速度的效果【1 0 1 。这种方法使绘制速度与 场景几何复杂度两者相互分离，与传统绘制流程相比，加速就不仅仅是单纯的数量级而 已。 i m p o s t o r 方法也可以归纳为一种特殊的细节层次化技术，只不过它完全用纹理图像 代替了原来的实体模型，而不是用简化了几何结构的实体来代替原有实体模型【l 刀。这种 方法可分为两种：与视景无关的绘制加速方法( v i e wi n d e p e n d e n t ) 和与视景相关的绘 制加速方法( v i e wd e p e n d e n t ) 2 3 】。 ( 1 ) 与视景无关的绘制加速方法 与视景无关的绘制加速方法在预处理阶段以场景中具有代表性的视点出发，运算得 出物体的一系列纹理图像。在运行阶段，对这些有代表性的纹理图像进行插值运算( v i e w i n t e r p o l a t i o n ) ，生成即时的视景图像。这种方法对于在场景中有特定浏览路线或者从室 内通过窗口观察室外复杂场景的情况下特别适用。 ( 2 ) 与视景相关的绘制加速方法 与视景相关的绘制加速方法，实时地生成实体的i m p o s t o r 纹理图像。在生成初始纹 理图像后，相邻的几帧画面内，在满足给定的误差控制范围( e r r o r m e t r i c ) 条件下，根 据视点的变化，对初始纹理图像做相应的变形处理，生成代表该实体的纹理图像，来代 替几何图像的绘制。虽然这种方法对模型和初始纹理的选择有特殊要求，通用性较差， 但是它开启了基于图像的绘制加速技术的研究。 m a c i e l l 9 9 5 2 4 1 年提出i m p o s t o r 的定义：一种用来显示对象模型的图像实体。j o n a t h a n s h a d e1 9 9 6 1 6 首先在s i g g r a p h 会议上提出了更为详细的界定：其主导思想是规定几何图 4 中国民航大学硕士学位论文 形中任意一点与这一点在几何图形的i m p o s t o r 的对应点之间可以容忍的最大角度差。以 后的每一帧画面绘制时。检查所有这些角度差是否超过了阈值，如果超出，则判定当前 帧中i m p o s t o r 为不可用1 1 7 1 因为不可能计算几何物体的每一个点与这个点在i m p o s t o r 纹理中对应点之间的角度差，s h a d e 选择计算包围盒八个顶点的角度差。 s c h a u f l e r n s 进一步改进了s h a d e 的算法，他将角度误差分为视点平移产生的角度 误差与由视点接近物体产生的角度误差两个部分，并且他还提出了用多层i m p o s t o r 来构 造几何物体的立体信息。d a n i e l a l i a g a 2 6 1 在他的论文中描述了如何解决i m p o s t o r 与几何 物体之间边界的裂缝问题，以及针对窗口视点i m p o s t o r 技术的特殊应用。m a r c e l l o c a r r o z z i r t 0 1 2 7 等则对于i m p o s t o r 的管理与开销平衡进行了深入的探讨。 i m p o s t o r 绘制加速技术使用3 d 几何模型的部分投影到屏幕的图像代替几何绘制， 从而达到提高整个3 d 几何模型绘制速度的效果。 由s h a d e 等【2 8 j g 提出的i m p o s t o r 算法主要基于在场景漫游过程中帧和帧之间的画面 连贯性。在视点移动时，远处物体的外观与上一帧乃至上几帧时往往相差无几。这时， 可将远距离景物在前一帧画面中的投影图像存贮起来，并以该图像作为纹理映射到一近 似取代该景物的简单几何上，从而有效减少了当前可视范围中的可见面片，极大提高了 画面的绘制效率。该方法在预处理阶段利用二又剖分技术建立场景的b s p 树p o j 表示， 场景的几何表示存储在b s p 树的叶结点上，在对场景进行漫游时，对b s p 树做两次遍 历，第一次遍历时首先基于一个误差估计函数来估计用i m p o s t o r 纹理还是场景几何取代 当前结点的可行性及其安全区域并求出当前图像所能重复使用的帧数k ，然后对基于图 像的绘制方法的运算量进行估计，判断每个结点是基于几何绘制快还是基于纹理绘制 快。在第二次遍历b s p 树时，按从后向前的顺序绘制整个场景，并按第一次遍历时的判 断来决定按几何绘制还是按图像绘制。 g s c h a u f l e r 和w s t u r z l i n g e r l 2 5 j 则给出了一个类似的3 di m p o s t o r 方法，他们使用k - d t r e e ，上层结点的i m p o s t o r 图像可由下层结点的i m p o s t o r 综合生成。当i m p o s t o r 在屏幕 上的误差超过一个像素时，则需要重新生成i m p o s t o r 。 可以看出，i m p o s t o r 算法对绘制远处复杂场景很有利。远处场景画面在视点移动时 变化通常较小，一帧缓存图像可以在后续帧里被重复利用，以简化所涉及的复杂几何场 景。i m p o s t o r 算法对近处景物的绘制则无优势。 1 3 本文主要研究内容 本文来源于国家自然基金课题“民航飞行视景模拟的真实感与快速绘制研究”中研 究内容的一部分。 中国民航大学硕士学位论文 1 3 1 研究目标 初步目标是使用i m p o s t o r 技术完成针对大规模云的快速绘制，在尽可能少地降低图 像质量的前提下加快绘制速度，直至绘制速度满足期望值。最终目标是借助探索i m p o s t o r 技术来满足大规模虚拟场景下实现绘制的实时高效要求。 1 3 2 主要工作 本文的预定目标是在民航飞行视景模拟中大规模云场景的具体情况下实现i m p o s t o r 的图像绘制加速算法，简化可视范围内几何实体的复杂度，达到明显加速三维场景绘制 帧率的效果，使之能够满足交互式应用的需要，并保持较高的真实感效果。 针对此目标，本文的工作主要分为三个部分： ( 1 ) 建立一个通用的场景 场景包括天空盒模型、地面模型、粒子云模型和飞机模型文件中实体的对应类型， 也有大量的辅助类型，比如矩阵计算、矢量计算、照相机控制等。 ( 2 ) i m p o s t o r 绘制加速算法的实现 在研究i m p o s t o r 绘制算法的基础上，与粒子云系统相结合完成粒子云i m p o s t o r 技术 的融合。其中包括i m p o s t o r 生成、误差控制、i m p o s t o r 与粒子云融合绘制、开销平衡、 i m p o s t o r 管理等方面的设计工作。 ( 3 ) 结合场景模型，验证i m p o s t o r 绘制加速算法的效果 构造数个不同规模的粒子云模型场景，试验它们在这些条件下的绘制加速效果，得 到较为准确的数据结论。并在这个基础上总结出加速规律以及改进方向，为项目组利用 i m p o s t o r 技术加快绘制速率与进一步的研究做好前期工作。 1 3 3 研究重点 ( 1 ) 粒子云散射光照模型； ( 2 ) i m p o s t o r 的生成； ( 3 ) i m p o s t o r 纹理与几何实体的混合绘制； ( 4 ) i m p o s t o r 云与粒子云的融合绘制： ( 5 ) i m p o s t o r 的误差控制； ( 6 ) i m p o s t o r 的有效期； ( 7 ) i m p o s t o r 纹理绘制开销估算。 6 中国民航大学硕士学位论文 1 3 4 论文的组织 本文组织如下：第一章将现有的绘制加速技术作了一个小结，对实时消隐、层次细 节简化技术、基于图像的绘制加速技术分别作了介绍，着重介绍i m p o s t o r 绘制加速技术 的发展以及现状：第二章介绍相关的理论基础，基本知识和技术，然后在此基础上进一 步介绍几何图像的绘制过程；第三章讨论粒子云模型及散射光照计算：第四章详细地介 绍了i m p o s t o r 技术的设计与实现，就设计目标策略、数据组织与算法、以及相关主要问 题与解决方案等方面说明了设计过程、实验的设计与分析结果。最后给出了本文的结论 与前景展望。 7 中国民航大学硬士学位论文 第二章相关理论基础 通常的基于3 d 结构模型的方法是先建立一个精确的三维几何模型，设置视图，然后 经过明暗、隐藏面消除等绘制生成一个屏幕投影。它最大的特点和优点就是数据表示完 整精确，具有系统的理论体系。其中，建模与绘制是核心环节。 2 1 建模技术 本文所讨论的建模指的是将真实世界和想像世界中的实体在计算机中形成三维虚 拟表示的过程。建模按其对象主要可以分为两类：外形建模和行为建模。外形建模的主 要研究内容是如何在计算机中描述客观世界中物体的外形。行为建模的主要研究内容是 如何抽取客观事物的行为规律并在计算机中表示。当然，外形建模和行为建模并非完全 截然可分的，设想对一团火焰建模时，只有在准确地描述了火焰的行为之后才可能准确 地描述火焰的外形。在这种情况下，外形建模和行为建模是紧密结合的。 建模根据在表示物体外形的方法上大体可以分为基于面片的建模和基于体元的建 模两个大类。基于面片的建模采用三角面片和多边形来表示物体，为了保证一个面片的 所有点都在一个平面上，一般会对多边形进行三角化。图2 1 是一个基于三角形面片建 模的例子，从图中我们可以看到，飞机的外观可以有许多三角面片来表示。当为这些三 角面片加上颜色、材质、纹理和光照之后就会出现一个栩栩如生的模型了顾名思义， 体元建模就是使用体积元的组合来构造模型。体元建模技术能够支持产品的快速成形、 体元分析、动态仿真等应用，特别是体元模型技术允许人们能够沉浸到仿真建模的环境 中，而不是像基于面片的方法那样只能从外部去观察建模结果。 图2 - 1基于三角形面片的建模 8 中国民航大学硕士学位论文 2 2 几何模型及其层次结构 客观物体常常是十分复杂的，它的变化受到很多因素的支配。计算机图形学描绘的 实际对象常常用模型来表示，这种模型是对原来客观物体的简化和抽象，在用计算机显 示图像时，要从原来抽象的物理或数学模型出发建立一个几何模型。 几何模型由一些有明确几何定义的元素及其相互间连接关系组成。一般而言几何模 型包含下列部分【3 1 捌： ( 1 ) 几何图元的形状和在空间的位置，以及表示这些元素时的一些特性，如颜色、 线条的种类及粗细等。 ( 2 ) 图素间的连接关系，也就是几何图素之间的拓扑关系。这种关系可以是一种树 状结构或用邻接矩阵来表示的网络结构。 ( 3 ) 特定的几何图素的属性，例如运动速度矢量、温度等。 几何模型常常具有层次结构。这种层次结构也是它们原来的数学或物理模型层次结 构的反映。这样一种层次结构使我们有可能去实现一个由下到上的结构过程。层次结构 表示可以分为按物理位置划分与按逻辑关系划分两类。场景图是一种按照逻辑关系组织 的层次化结构，例如由一些直线段和圆弧段形成门、窗及楼梯，进而形成房间和层，最 后组成一栋楼房。直线及圆弧就是基本图素，门、窗、楼梯就成为高一层的图素。一些 图素组成的集合( 如门、窗等) 便称为块，只要在模型中存在一些结构相同的部分，而 这些部分又在模型中多次出现，就可把这样的部分组成块，这样这个模型便有了二层的 结构。 利用了层次结构主要有两方面的好处：一是存储简单，如果一个块在图中各处出现， 它的几何及拓扑信息只需要保存一次。第二个优点是编辑简单，如果将块的图形修改， 所有实例将自动变化。 2 3 绘制技术 2 3 1 渲染流程 最终当一幅逼真的图像出现在屏幕上的时候，实际上图形系统已经为我们完成了一 系列复杂的工作。图2 2 1 3 2 1 显示了一个图形的渲染流程： 9 中国民航大学硬士学位论文 图2 2 图形渲染流程 几何模型是场景中需要表示的对象，比如街道中的车辆、树木和房屋等。仿真描述 通过图形管道对场景中的几何模型产生影响，使得模型的外形和运动发生变化，达到仿 真的效果。物体具有的客观规律、人为的想定都可以作为仿真描述。几何模型和仿真描 述都可以被作为图形管道的输入数据。 图形管道中的操作是底层图形软件( 如o p e n g l ，d i r e c t 3 d ) 的重要组成部分，如 上图所示按处理流程【”】主要包括图形变换、顶点操作、图元装配、光栅化、纹理装配和 片元操作几个部分。 图形变换即模型变换和视点变换。顶点操作即把顶点转化为图元。一些类型的顶点 数据( 例如空间坐标) 被转换为4 x 4 的浮点型矩阵。如果用户激活了纹理，这一阶段 会生成并且转换纹理坐标；如果激活了光照，将使用转换后的顶点、表面法线、光源位 置、材料特性和其它的光照信息进行计算，用来产生颜色值。图元装配的一个主要内容 就是裁剪，裁剪的作用是去掉落在由平面定义的半空间之外的几何部分。顶点裁剪的操 作只是简单地通过或者排斥顶点；直线或者多边形裁剪则可以根据直线和多边形裁剪的 方式，剪掉其它的顶点。另外，此部分还包括投影变换和视口变换。 光栅化是把几何数据和像素数据转换进片元的操作。每个片元块和帧缓存中的像素 相对应。当把顶点连接进入直线或者计算填充多边形的内部像素时，将要考虑直线和多 边形点画线、线宽、点的大小、阴影模型和平均值计算，来支持反走样【3 1 1 。在该步骤中， 为每个片元矩形都指定了颜色和深度值。纹理装配也将在光栅化中进行，如果使用了纹 理，将会从纹理内存中产生一个纹理单元参与计算。最后是片元操作，片元操作对即将 写入帧缓存的图像进行各种测试，如a l p h a 测试、模板测试、帧缓存测试等。通过澳试 的图像将被写入帧缓存，或者与帧缓存中已有的图像运算后再写入，运算包括混合、抖 动和其它逻辑操作。 2 3 2 基本几何变换 图形变换是计算机图形学的基础内容之一，也是本文需要大量应用的知识。论文中 中国民航大学硕士学位论文 采用矢量表示点坐标，基本的几何图形变换可由矢量以及矩阵的运算来获得。基本的几 何变换包括平移、旋转、对称、放缩、错切及复合变换【9 3 2 1 。下面简单介绍四种变换。 ( 1 ) 平移交换 平移变换即把几何体的每一个顶点在每一个坐标方向上都附加一个相同的增量，这 样几何体将被从一个位置平移到另一个位置，并保持几何体的外形不变。在齐次坐标中， 任意点p ( z ，乃= ) 可由以下矩阵运算平移到点p ( r ，y 。，一) j = | ；| 珧 ( 2 1 ) 其中参数b ，t y ，乞分别为该点在x ，乃：三个坐标轴上移动的距离。 ( 2 ) 旋转变换 旋转变换指物体以某个轴为旋转中心，按照一定的方向旋转。以沿坐标轴为旋转轴 为例，若沿坐标轴向原点作观察，绕坐标轴的逆时针旋转定义为正向旋转，设旋转角度 为0 ，则绕z 轴的三维旋转变换可以表示为 c o s 口 s i n0 o 0 一s i np00 c 0 5000 olo ool 当旋转轴不是坐标轴而是空间中的任意直线时，可以将沿该直线的旋转变换分解为 沿三个坐标轴的平移和旋转的组合。 ( 3 ) 放缩变换 放缩变换是指将几何体的顶点坐标值乘以一个系数，使得几何体在各个方向上都按 照一定比例放大或缩小的变换。可用下面的运算来表示 5j 00 0 j ) ，0 00 。2 000 ( 2 3 ) ( 复合变换 复合变换是指几何体作一次以上的几何变换，变换的结果是每次变换矩阵的乘积。 比如对几何体先平移再旋转的操作就可以表示为 c 0 8 口 s i n 口 0 0 一s i n 口00 c o sp00 0lo ool ( 2 4 ) 需要注意的是由于这里采用的是右手坐标系，所以在复合变换的过程中应使用左乘 原则。 l l b 0 屹 o o l o o l o 0 l o o o 中国民航大学硕士学位论文 2 3 3 投影变换 三维计算机图形学是本论文的基础，在i m p o s t o r 技术的实现中将会广泛用到这个方 面的知识。术语“三维”，即3 d ，指的是被描述或显示的对象具有三个测量维度：宽度、 高度和深度【l q 。三维计算机图形实际上是平面的计算机屏幕上的二维图像，它只是提供 了深度的错觉，即第三个维度。 三维图形在计算机上的绘制过程本质上是一个三维图形到二维平面的投影过程，它 可以由矩阵乘法来表达。为了在平面的显示器上获得三维的效果，必须进行一系列的操 作，图2 3 田】便是一个典型的透视投影三维变换流程。在计算机绘图中，对场景进行变 换的整个过程类似于用一台相机来拍摄照片，实际上，本论文实验系统的实现中也有一 种c a m e r a 模型来模拟这个过程。具体步骤如下： 号团寻圈号曰亏曰 观察坐标 剪裁坐标芸；再绦 图2 - 3三维显示的概念模型 ( 1 ) 视图变换，类似于将相机固定在三角架上并使相机对准场景。如图2 4 1 3 2 1 所示， c a m e r a 和c e n t e r 矢量可以确定照相机对准的方向( d i r e c t i o n ) ，而u p 矢量确定了照相 机的角度( o r i e n t a t i o n ) 。 图2 4照相机的示惹图 ( 2 ) 模型变换，类似于使想要拍摄的场景处于取景框中的合适位置。模型变换相 当于将物体摆放在世界坐标系的某个位置，即将模型的局部坐标转化为世界坐标。 ( 3 ) 模型坐标系是物体的局部坐标系，在模型坐标系中物体的表示简单，如图2 - 5 1 3 l 】 所示，( a ) 中世界坐标系的长方体描述复杂，而( b ) 中坐标系的轴沿长方体的各个边，可以 很方便地描述它。模型变换就是将物体从本身的模型坐标系变换到上层物体的模型坐标 1 1 f p 鳃 中国民航大学硕士学位论文 系( 或世界坐标系) 的几何变换，是构造复杂物体的方法 z l 图2 - 5 全局坐标系与局部坐标系 实际上模型变换和视点变换具有对偶性，只是考虑的主体不同。可以在两种变换方 法中任选其一来执行变换操作或者在一个方向上移动照相机，或者向相反的方向移 动物体。因此，可以用一个模型视图矩阵来表达这两个变换。 ( 4 ) 投影变换，类似于选择相机镜头或调整放大倍数。如图2 _ 6 1 9 1 所示，它是一个 透视投影情况下的示意图。投影变换将物体在三维空间中的坐标映射到二维平面上。投 影分为平行投影和透视投影两种，平行投影的投影中心与投影平面的距离为无穷大，而 对透视投影，这个距离是有限的。透视投影更接近物体在人眼视网膜上的成像机理，因 此在绘制三维图形时一般都采用透视投影的方法。另外，投影变换还定义了一个视棱台， 视棱台以外的几何物体将被裁剪掉。 图2 6透视投影与视棱台 ( 5 ) 视区变换，类似于决定最终照片尺寸的大小。视口变换将在投影平面上的图 形按照一定的比例缩小或者放大显示到视口，即输出设备上。 2 4 环境光照模型 环境光照最初是由b l i l m 3 3 等提出的，主要用来近似的模拟景物表面的镜面反射和 1 3 中目民航大学硬士学位论文 规则透射折射效果。环境光照技术取景物的中心作为固定视点来观察整个场景，并将周 围场景的i 蛩像记录在以该点为中心的中介表面上，如球面、立方体表面或双曲抛物面等。 因而，环境光照实际上以全景图像的方式提供了其中心视点处的场景描述。但是，环境 光照技术假设环境在无限远处。由于环境光照只是相对于一个点，而真实世界中的物体 有一定的尺寸，所以此技术会产生一定的误差。当景物较小且位于中介球面中心附近时， 得到的结果较为精确。 光照模型对真实感图形的生成至关重要。在图形学中，光照模型主要研究的是，如 何根据光学物理的有关定律，采用计算机来模拟自然界中光照明的物理过程。处在一定 环境中的物体，其表面的光亮度除了与其自身表面的光学属性有关外，还与环境中的光 源和它周围的景物有着密切的联系。如果忽略周围环境对物体的作用，而只考虑光源对 物体表面的直接照射效果，这样的光照模型被称为局部光照模型。这仅是一种理想状况， 所得结果与自然界中的真实情况有着一定的差距。自然界中的大多数物体具有反光特 性，有些物体又具有透明特性，周围的环境都会对物体的表面颜色产生影响。这种考虑 了周围环境对景物表面影响的光照模型被称为全局光照模型。光线追踪技术和辐射度技 术是实现全局光照模型的两大重要方法。 为了生成真实感强的图形，人们已经提出了多个基于点光源的光照模型。比较成功 的有：l a m b e n t 漫反射模型、p h o n g 模型嗍、b l i n n 模型1 3 5 、c o o k t o r r a n c e 模型堋、w h i t t e d 模型 3 7 1 等。当采用环境光照作为光源对场景进行照明时，由于光从四周射向虚拟物体， 所以上述已有光照模型中的有些参数，如入射角、出射角、环境光等，就很难直接确定， 从而为表面各点光亮度的计算带来很大的不便。 2 6i m p o s t o r 绘制加速技术的基本问题 基于i m p o s t o r 的绘制加速技术是一种较新的图像绘制简化方法。它着眼于图像的连 续性，在通常的虚拟漫游中视点移动是连续的，因而距离视点较远的物体在屏幕中的变 化非常小，相邻数帧之间的图像具有很大的连续性。利用图像的连续性，可将当前帧画 面中距离视点较远物体的投影图像存贮起来，在之后数帧的绘制过程中将该图像作为纹 理映射到一取代该物体的矩形上，从而减少了可视范围内可见的几何面片，获得更高的 绘制效率。在使用i m p o s t o r 绘制的每一帧中，i m p o s t o r 根据视点的变化，作相应的变形 以模拟视点移动时原来几何对象会产生的视差可进一步延长i m p o s t o r 使用的范围。 i m p o s t o r 的绘制速度与它所代替的模型的几何复杂度无关，仅受i m p o s t o r 纹理的大 小以及投影到屏幕的像素规模影响【l 们，而距离视点较远的物体在屏幕中的投影面积较 小；几何绘制所花费的时间随着模型几何复杂度的增加而增加。因此，对于几何复杂度 越高的几何实体，i m p o s t o r 绘制加速技术越能提高绘制速度。 在这里，我们称生成i m p o s t o r 的当前帧为关键帧例，绘制关键帧时视点所处的位置 1 4 中国民航大学硕士学位